电子产品环境应力筛选研究

2013-08-15王玉梅

电子测试 2013年2期

李军王玉梅

（中国工程物理研究院电子工程研究所 621900）

1 引言

电子产品的可靠性是衡量其性能的重要指标。对武器系统电子产品而言，可靠性是产品研制生产者及使用者关注的重点之一。众所周知，电子产品的可靠性服从所谓“浴盆曲线”，电子产品的失效率是时间的函数，随时间的变化可将失效率划分为三个阶段，即早期失效期、偶然失效期和耗损失效期。在早期失效期，电子产品的失效率随时间的增加而迅速降低，该阶段的失效原因大多是由于设计、原材料和制造过程中的缺陷造成的。为了缩短该阶段的时间并剔除出现的早期故障，使得电子产品的失效率处于偶然失效期的较稳定阶段，人们采用了一些方法和手段，在这些方法和手段中，环境应力筛选作为重要的技术手段被国内外广泛使用。尤其是在武器系统电子产品的研制过程中，环境应力筛选是必不可少的重要环节。鉴于环境应力筛选的重要性，本文对应用于武器系统电子产品的环境应力筛选技术进行研究。

2 环境应力筛选简述

所谓环境应力筛选（Environmental Stress Screening，ESS），即是在不损坏产品的前提下，选择若干典型的环境因素，通过施加适当的环境应力，一定的循环数及受应力的时间累积，使产品中的潜在缺陷加速暴露出来，消除产品的早期失效。ESS的目的就是给产品施加一个接近或等于设计的耐环境强度的应力，使薄弱部分提前暴露出来以便及时修复，从而实现产品各部分耐环境能力均大于施加的环境应力，即出现一个破坏应力的下限值，大大缩小阴影区的面积，使安全范围扩大，提高产品可靠性。

任何潜在的缺陷发展成为故障都需要受到一定强度应力一定时间的作用，电子产品只有受到能产生等于或大于阈值的环境应力才能使某些缺陷变为故障。在某些温和的环境应力中，许多缺陷不会发展为故障。因此环境应力筛选的目的即是将那些不满足环境应力要求的部分挑选出来，通常的环境应力筛选的做法是施加合理的温度、振动等环境应力。据统计，温度应力可筛选出80%的缺陷，振动应力可筛选出20%左右的缺陷。

3 典型环境应力

环境应力筛选主要使用温度循环和随机振动两种应力。

3.1 温度循环

温度循环筛选需要设定温度变化范围、升降温速率和循环次数等参数。

温度变化范围即指温度循环从最低温度到最高温度的温度区间，是环境应力筛选中影响筛选效果的重要参数之一。通过扩大温度变化范围可以提高筛选率。GJB 1032 要求温度变化范围“由产品有关技术条件确定。一般取产品的工作温度，也可取非工作温度”。由于电子产品的差异很大，有的电子产品仅由几个或几十个元器件及零部件组成，而有的电子产品则可能由成百上千的元器件及部件组成。此外，电子产品的工作环境和使用要求也不尽相同。因此，温度变化范围应根据电子产品的构成特点和工作环境确定。具体实施时，应仔细分析电子产品的各组成部分，分别罗列出它们所能承受的温度范围，然后取这些温度范围的交集作为温度变化范围。只有这样，才能保证温度变化范围选择不当从而造成元器件或部件的损伤。

升降温速率是影响筛选效率的重要参数。通常而言，升降温速率越大筛选效果越好。如果升降温速率过小，热应力的作用就大打折扣，会导致一些潜在的缺陷不足无法发展成为故障，没有实现剔除潜在缺陷的目的。相反，如果升降温速率过大，则会使得热应力强度加大，这有可能对元器件造成损伤。因此升降温速率应根据电子产品的自身特点合理选取。GJB 1032提及的参考升降温速率为5℃/min。

另外，循环次数对筛选效果也有较大的影响，筛选效率随循环数的增加而提高。循环次数与电子产品的复杂程度相关，产品越复杂，所需的温度循环次数越多。

3.2 随机振动

电子产品的机械振动有正弦振动和随机振动等多种振动方式。进行随机振动时，所有谐振频率都会受到激励，因此在机械振动筛选中随机振动是最有效的方式。对电子产品应力筛选条件的要求，GJB 1032要求随机振动筛选的功率谱密度为0.04g2/Hz，频率范围为20～2000Hz，在缺陷剔除阶段随机振动时间为5min，无故障检验阶段为5～15min。如果振动时间过长就会使电子产品出现不应发生的故障。如果有的电子产品在功率谱密度0.04g2/Hz的情况下，不足以激发潜在缺陷的话，则可适当地提高振动量级和延长振动时间。随机振动一般要在三个轴向上进行，如果电子产品中多数PCB电路为同向排列，则可仅在垂直于印制板方向进行的随机振动。

另外，从提高筛选效率的目的出发，筛选过程中应当尽可能进行通电检测。这是由于电应力本身能将电子产品中的缺陷加速发展为故障。而且筛选出的故障有近一半是在环境应力下才能发现的间歇故障，这必须在筛选环境应力作用下通过通电检测才能发现。在温度循环中，降温阶段不要通电，因为电子产品通电产生的热量会影响温度变化速率。在温度循环筛选中应增加性能检测次数，以利于及时发现故障并修复。振动过程中，应加电和进行性能检测，以保证及时发现故障。

4 武器系统电子产品环境应力筛选

武器系统电子产品由于具有高可靠性的要求，需要严格执行环境应力筛选。通常需要分别执行元器件级、印制板组件级和产品级的环境应力筛选。印制板组件级和产品级的环境应力筛选需参照GJB 1032的条款执行，元器件级的筛选可按照GJB 360.7的规定采用高低温极值温度循环冲击的方法进行。针对武器系统电子产品，环境应力筛选应尽可能贯穿产品从样机研制到定型产品交付的整个过程。

电子产品的可靠性是由设计方案所决定的，在武器系统电子产品的样机研制阶段进行环境应力筛选，在一定程度上可以衡量设计方案的优劣，可以有效提高电子产品的固有可靠性。在该阶段，电子产品通常需要分别进行缺陷剔除和无故障检验试验。缺陷剔除试验的目的是对电子产品施加规定的随机振动和温度循环应力，以激发出尽可能多的故障，发现和排除由于不良元器件、工艺缺陷和其它原因造成的早期失效；无故障检验试验的目的在于验证筛选的有效性。

电子产品的可靠性是通过生产过程实现的，生产过程是联系产品研制和产品使用的桥梁。在生产过程中会有多种原因会向产品引入一些潜在缺陷，这些缺陷必须通过环境应力筛选予以暴露并剔除。在生产过程中，应尽可能在组件级上进行环境应力筛选，尽早剔除早期故障，避免将潜在缺陷带入产品级的装配环节中。生产过程的环境应力筛选应注重排除产品的潜在缺陷，这样可以保证生产出的产品的可靠性符合产品设计阶段所规定的可靠性指标，满足用户的使用要求。对生产多次的定型产品，根据电子产品的具体情况，可以按照GJB 1032中的“环境应力筛选试验的抽样和简化”的相关条款执行环境应力筛选：对全数试验和抽样试验可设法简化筛选程序，即无故障检验可从缺陷剔除试验时就开始计起，在最大120h的范围内，要求有至少40h的连续无故障工作时间。若前40h不出现故障则可免去其后的试验。此外，对交付的产品应全部进行环境应力筛选。

对武器系统电子产品而言，合理的环境应力筛选不会明显影响元器件的使用寿命，因为元器件的失效率在偶然失效期是随时间缓慢下降的，环境应力筛选对它们的影响可以忽略不计。另外，在环境应力筛选中应坚持失效分析，以利于提高武器系统电子产品的固有可靠性和使用可靠性。